字节对齐

一、什么是字节对齐？

在现代计算机中，内存空间都是按照字节(byte)划分的。从理论上讲对任何类型的变量的访问可以从任何地址开始，但实际情况是，访问特定类型的变量的时候经常在特定的内存地址访问，这就需要各种类型的数据按照一定规则在空间上排列，而不是顺序地一个接一个地排放，这种所谓的规则就是字节对齐。这么长一段话的意思是说：字节对齐可以提升存取效率，也就是用空间换时间。

例如：

struct A
{
char a;
char reserved[3];//使用空间换时间
int b;
};

注：其中的reserved成员对于程序并没有意义，只是起到了填补空间达到字节对齐的目的。当然，即使不加这个成员，编译器也会自动为我们补齐，加上它只是起到显式提醒。

二、为什么需要字节对齐？

因为各个硬件平台对存储空间的处理上有很大的不同，一些平台对某些特定类型的数据只能从某些特定地址开始存取。比如有些架构的CPU在访问一个没有进行对齐的变量的时候会发生错误,那么在这种架构下编程必须保证字节对齐.其他平台可能没有这种情况，但是最常见的是如果不按照适合其平台要求对数据存放进行对齐，会在存取效率上带来损失。比如有些平台每次读都是从偶地址开始，如果一个int型（假设为32位系统）如果存放在偶地址开始的地方，那么一个读周期就可以读出这32bit，而如果存放在奇地址开始的地方，就需要2个读周期，并对两次读出的结果的高低字节进行拼凑才能得到该32bit数据。显然在读取效率上下降很多。

三、几个基本概念

1、基本数据类型的自身对齐值

例如，char型数据的自身对齐值为1字节，short类型自身对齐值为2字节，int、float、long类型自身对齐值均为4字节，double类型自身对齐值均为8字节。（32位系统）

2、结构体或类的自身对齐值

其成员中自身对齐值最大的那个值。

3、指定对齐值

通过预编译指令 #pragma pack (value) 来指定的对齐值value。（注：取消自定义对齐值得指令为 #pragma pack ( )）

4、数据成员、结构体和类的有效对齐值

其自身对齐值和指定对齐值中较小的那个值。

四、字节对齐的几个例子浅析

例1：设有如下两个结构体

struct A
{
char a;
short b;
int c;
};
struct B
{
short b;
int c;
char a;
};
那么上面两个结构体的大小是多少呢？

对于结构体A：a是char型数据，占用1字节内存；short型数据，占用2字节内存；int型数据，占用4字节内存。因此，结构体A的自身对齐值为4，sizeof(struct A) =8字节。

对于结构体B：同理也是4字节对齐，但是sizeof(struct B) =12字节。

 

例2：为结构体指定对齐值

#pragma pack(2) //指定2字节对齐
struct C
{
char a;
int b;
short c;
};
#pragma pack() //取消指定对齐，恢复缺省对齐
对于结构体C：由于其自身对齐值为4字节（int b），而指定对齐值为2字节，因此该结构体的有效对齐值为较小的2字节，那么sizeof(struct C) = 8 字节。

 

#pragma pack(1) //指定1字节对齐
struct D
{
char a;
int b;
short c;
};
#pragma pack() //取消指定对齐，恢复缺省对齐
对于结构体D：同理可知，由于其自身对齐值为4字节（int b），而指定对齐值为1字节，因此该结构体的有效对齐值为较小的1字节，那么sizeof(struct D) = 7 字节。

 

 

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。
另外，还有如下的一种方式：

__attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
__attribute__ ((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

 

五、总结

由以上分析可知，字节对齐会造成空间上的浪费。 事实上，除了结构体之外，整个程序在给每个变量进行内存分配时都会遵循对齐机制，也都会产生内存空间的浪费。但我们要知道，这种浪费是值得的，因为它换来的是效率的提高。

 

参考博客：https://blog.csdn.net/M_joy666/article/details/80030024